1、白皮書確保電網規范合規性的數字化路徑助力公用事業企業在變幻莫測的 可再生能源時代守護電網安全波動性可再生能源 份額不斷增長不可預測的 新消費模式傳統電站 紛紛關停產消者加劇了發電 計劃的復雜性自一個世紀前開始大規模供電以來，從化石燃料向可再生能源的轉變構成了電網最深刻的變革。風能、太陽能和水力等分布式和間歇性能源與電動汽車(EV)、儲能系統和低凈值獨立能源建筑等新技術一起，正在占據能源板塊中越來越多的份額。所有這些正在對電網的穩定性和可靠性造成沖擊。作為應對，輸電系統運營商(TSO)正在強化電網標準，明確所有參與者在發電資產并網時必須遵循的規則和義務。公用事業企業、集成商和發電企業必須提供基于

2、“數字孿生”的詳細、高保真的電力系統模擬報告，和通過現場測量或組件認證驗證的控制系統數字仿真模型。這導致了發電廠主要部件和控制系統在調試和運行期間需要進行測試的次數越來越多。在本白皮書中，ABB大致介紹了電網運營商如何與有實力的技術供應商合作來應對這種新趨勢，確保遵守日新月異的電網標準，管控電網行為變幻莫測的復雜性，并搶占先機部署新一代數字化智能電網解決方案來獲得空前的連接性和可靠性。引言3確保電網規范合規性的數字化路徑發電分散化大多數發達國家的電網以集中發電模式為主，即在化石燃料電站和核電站大規模發電，再通過高壓輸電線網分配至千家萬戶。傳統集中發電模式供電穩定可靠，需求明確。這點至關重要，因

3、為只有供需平衡，才能避免頻率波動，維持電網穩定。然而，形勢正在變化。為實現2015年巴黎協定的目標，國際社會正致力于推進能源系統脫碳并遏制全球溫度升高不超過1.5C。這導致了燃煤電站和核電站正在逐步被淘汰，轉而采用風能和太陽能等可再生能源。此外，隨著越來越多的需求不穩定的電力消費者（如電動汽車）接入電網，電力需求變得日趨分散且不可 預測。這種轉變對電網運營商和供電安全影響深遠?？稍偕茉雌茐牧诉@種穩定的供電模式，加劇了電網控制的復雜性。如果沒有電網級儲能系統作為備份，天氣條件和能源可用性的波動使得可再生能源本質上是間歇性的。隨著人類迫切地希望最大限度利用可再生能源，電網中在任何時候都存在強烈的

4、電力波動。作為應對，輸電系統運營商(TSO)正在強化其電網標準，以圖在變幻莫測的可再生能源時代保障電網安全。無論新老公用事業企業、集成商和發電企業都有義務證明其滿足這些新的電網標準要求，否則可能不允許并網或吊銷營業許可。挑戰4確保電網規范合規性的數字化路徑放松管制為鼓勵充分競爭并提高整體供電質量，世界各地的監管機構紛紛出臺措施，放松對電力系統的市場管制。在這種情況下，獨立的電力生產商可單獨建設電站和并網，從而改變了發電和配電分家的傳統模式。一方面，這要求電力企業必須全局看待整個電網，包括整體的供需狀況。但另一方面，供電越多，利潤越高，導致這些新興的獨立發電商片面追求利潤最大化。這種矛盾迫使電網

5、運營商制定規則，以避免市場混亂。如今，公用事業企業、集成商和發電企業必須提供基于“數字孿生”技術的詳細、高保真的電力系統仿真 報告。更嚴厲的電網標準澳大利亞、美國、東南亞和歐洲的電力系統運營商正在實施更嚴厲的電網標準。所有利益相關方公用事業企業、集成商和發電企業都必須遵守。這些標準旨在通過規定各類電站并網時必須考慮的主要準則來確保電網的穩定和安全運行。比如在歐洲，新的ENTSO-E（歐洲輸電系統網絡運營商標準）現要求所有歐洲國家制定新電網標準。德國先行一步，已發布新的指導方針和法規，并更新了VDE-AR-N 4110、VDE-AR-N 4120和VDE-AR-N 4130標準。意大利電網公司T

6、erna也在大幅修改其現行法規，最近發布了新電網標準及相關附錄(Allegato 18)。5確保電網規范合規性的數字化路徑頻率快速變化(RoCoF)事件傳統發電過程中，轉動慣量由電站和工業設施內的大型同步發電機和電機所含的能量提供，因為這些設備的旋轉頻率與電網相同。損失大部分電量后（比如機組強制停機），所導致的系統頻率下降會因整體轉動慣量存在而暫時延遲，這就像一個減震器，減緩了變化率。至關重要的是，這為增加電力儲備贏得了時間，以便在發生RoCoF事件之后重新建立電力系統平衡，同時維持在可接受頻率偏差范圍內，消除了減負荷的需求，只需斷開消費者連接，即可維持正確的電網頻率。因此，接入非同步連接的發

7、電設施會使電網更不穩定?？稍偕茉床荒茉黾酉到y轉動慣量。接入電網的太陽能沒有旋轉質量，而將風力發電機接入電網的變頻器阻止發電機旋轉動能在頻率變化時向系統提供轉動慣量?？稍偕茉床荒艹掷m穩定供電，因此必須儲存電能，以便在光照不足和風力過小時使用。今后，如果可再生能源無法就地向電網供電，則需要更大規模地儲存能源，才可保證供電。因此，接入非同步連接的發電設施會使電網更不穩定?？稍偕茉床荒茉黾酉到y轉動慣量。接入電網的太陽能沒有旋轉質量，而將風力發電機接入電網的變頻器阻止發電機旋轉動能在頻率變化時向系統提供轉動 慣量。管控電網的復雜性頻率快速變化(RoCoF)事件 故障穿越 (FRT)區域間振蕩黑啟動

8、能力12adelaideaustraliaQueensland6確保電網規范合規性的數字化路徑區域間振蕩越來越多的可再生能源接入電網，互聯電網規模不斷擴大，區域間振蕩模式(0.1-0.8Hz)日益頻繁。顧名思義，當某個區域的發電機組或電站與另一區域的發電機組或電站的連接很弱（通常通過單一線路連 接），就可能會發生區域間振蕩，尤其是電力需求較高時。輸電量越大，振蕩幅度也越大，可能導致電網不穩定，甚至停電。因此，抑制這些振蕩模式以維持電網穩定性，并確保電力供應保持穩定和在線，是公用設備和發電機組的首要任務。電力公司有責任在電力基礎設施和連接項目開始時就考慮這些類型的挑戰，否則可能導致供應商不能取得

9、經營許可。ABB已在澳大利亞使用數字孿生仿真技術進行了內部振蕩抑制（參見第4節“ABB電網標準合規性解決方 案”）。阿德萊德電站與北方相距3000公里的昆士蘭電站相互作用，導致了振蕩或“擺動”。通過仿真關鍵的電廠系統，ABB能夠抑制這些頻率波動并使電網維持 穩定。故障穿越(FRT)FRT是指發電機，尤其是風能和太陽能設施中的發電機，在電壓驟降或電網故障期間與電網保持連接的能力。正如RoCoF事件那樣，這種能力對電網穩定性至關重要，因為連接到網絡的小型公用事業設備或電力裝置越多，如果一個或多個設備的連接斷開，系統就越不 穩定。例如，閃電可能擊中電網，導致瞬時過電壓或不穩定。部分設備連接可能會斷開

10、，意味著無法為電網提供足夠電量，由此產生的電壓降或頻率變化可能會導致更多設備連接斷開，形成多米諾骨牌效應。電力系統運營商(TSO)正在提高與發電機組克服輸電系統故障和干擾的能力相關要求，以避免電壓崩潰，并維持穩健的輸電系統。FRT是維護系統安全和避免更廣泛系統問題（例如電壓和頻率崩潰及潛在系統斷電）的基本要求。通過仿真抑制相距3000公里的頻率波動7確保電網規范合規性的數字化路徑黑啟動能力在部分國家，電網標準還規定了電站在停電之后的應對措施。停電后，不依賴外部輸電網絡而恢復電站或部分電網的過程稱為黑啟動。所有想要將其發電資產接入電網的參與者都必須遵守電力系統運營商(TSO)制定的電網標準，提供

11、基于詳細組件和控制系統數字仿真模型（也稱為“數字孿生”）的詳細高保真電力系統仿真報告。這些模擬必須通過現場測量或組件認證進行驗證。此外，在電廠主要部件和控制系統的調試和運行過程中，必要的測試也越來越多。電網標準合規性解決方案必須為公用事業公司提供更快的電網連接和電站運營優化。ABB開發了一套獨特的建模、分析、計算機模擬和調試服務，以滿足公用事業公司和電站的需求。其 中，基 于 經 過 驗 證 的 勵 磁 系 統 仿 真 模 型 和 詳 細的電廠設備，如調速器控制和保護設備，使用PowerFactory、PSSE和MATLAB/Simulink等軟件進行研究，可確?？焖俳尤腚娋W，避免罰款，輕松與

12、電力系統運營商(TSO)進行技術交流。確保電網標準合規性的解決方案整個電網斷電后，多數電站無法重啟，因其需要外部電力才能啟動并運行。因此，電力系統運營商(TSO)逐漸要求運營商證明自己擁有在電網其余部分停電時啟動電站的相關策略或程序，這樣才可以使電網其余資源重新上線。電力系統仿真包提供從簡單的勵磁控制系統參數優化（如AVR-自動壓調壓器和PSS-電力系統穩定器）到基于定制的、項目特定電站數學模型的詳細電網連接研究。這些仿真適用于傳統和可再生能源電站尋求從電力系統運營商(TSO)獲得接入其電網的許可。成熟的ABB UNITROL 1000和6000勵磁系統數字仿真模型已用于PowerFactor

13、y和PSSE先進平臺，可以輕松集成至更大的電站仿真模型。為公用事業公司、系統集成商和OEM提供電網標準合規性現場服務，提供現場測試服務，以評估勵磁設備是否符合國家特殊電網標準合規性要求。8確保電網規范合規性的數字化路徑勵磁系統對穩定電力輸出的重要作用勵磁系統的基本功能是利用閉環或反饋控制向同步電機的勵磁繞組提供連續直流電流。因而是許多發電機組的關鍵部件，電站業主和運營商根據電網要求將之用于實現其資產運行的可靠性、穩定性和快速瞬態響應。ABB UNITROL 1000和UNITROL 6000系列可滿足各種發電和非發電應用需求。UNITROL解決方案的安裝量超過30000套，它為發電設施提供服務

14、，是自動化和電氣系統、旋轉機械控制、儀表和先進數字服務組合的一部分。UNITROL支持同步發電機快速吸收和注入無功功率，有助于系統抵消電壓波動。此外，該解決方案還提供高級電力系統穩定器(PSS)功能，使同步發電機高效抑制區域間振蕩模式，而不危及系統對RoCoF事件的反應。UNITROL是首款完全符合新歐洲電網標準的勵磁產品，由TV NORD認證機構根據德國標準進行驗證，這是目前就物理測試和高精度的仿真模型而言，所進行的最具挑戰性的電網標準合規性驗證。UNITROL數字孿生已用于多個電網標準合規性項目，最近ABB在Dinorwig、Avedre和Manjung電站進行了電力系統穩定性研究，支持電

15、站在現場驗證測試期間即從輸電系統運營商(TSO)獲得快速并網補貼，而不會發生不希望出現的意外。在這些測試項目中，勵磁設備完全符合電網的規范要求。9確保電網規范合規性的數字化路徑主要優勢通過簡單軟件升級現有資產利用新一代專用軟件的支持功能，全球20000多家UNITROL 1000客戶均可遵守最新ENTSO-E法規。通過電網標準合規性研究降低復雜性ABB為電力公司提供詳細電網標準合規性研究，可幫助運營商向其國家輸電系統運營商(TSO)提供仿真報告和性能評估，從而獲得接入國家電網的許可。認證和易用性勵磁系統滿足TV Nord認證的最新、最嚴格電網標準要求。如果更新AVR固件或與其他經過認證的ABB

16、設備交換，則無需重新認證發電設備。ABB最先進的仿真模型可輕松集成至發電機控制模型，從而加速整個發電機組的認證。10確保電網規范合規性的數字化路徑主要依賴于化石燃料電站和核電站的大規模持續供電和可預測需求的傳統集中發電模式正在逐漸被不穩定且更加分散的電網所取代。隨著能源結構的變化，電網合規性流程必須做出相應調整。與現代工業的許多方面一樣，數字化、自動化和遠程技術已革新了公用事業公司、集成商和發電公司展示電網合規性的方式。由于新能源和新科技不斷改變電網狀況，當前認為合理的合規性標準可能僅數月之后就過 時了。目前，公用事業公司或電力公司如需證明其符合電網標準，就會接洽ABB等專業技術供應商。技術人

17、員根據所設置的勵磁系統參數進行現場模型驗證研究，然后調試和整定項目以證明電站系統的運行符合仿真預期。電網運營商核實報告之后，公用事業公司就可以獲得輸電系統運營商(TSO)許可進行并網。目前，這些流程每2-5年執行一次，未來將實現自動化，可能頻繁到每周一次。勵磁系統將遠程執行自動整定，自動調整參數以確保合規性。終極目標是利用數字孿生持續模擬發電機和電網，一旦實際設備功能與仿真存在差異，勵磁系統就會發出警報，遠程觸發自動重新整定過程，啟動系統重新校準以證明合規性。數字互聯是關鍵。通過將越來越多的公用事業設備連為一體（見“互聯思維：塔斯馬尼亞的ABB勵磁解決方 案”），運營商就能夠向不同的電站發出警

18、報，以便其能夠提前采取措施，避免發生電網事故。目前，電網合規性流程每2-5年執行一次，未來將實現自動化，可能頻繁到每周一次?；ヂ撍季S：塔斯馬尼亞的ABB勵磁解決方案 澳大利亞南海岸塔斯馬尼亞島上的所有電站全部連為一體，運用算法同時控制整個電網并使其保持穩定。ABB提供的勵磁系統主要與其他系統相互作用，這些電站通過直流線路連接至澳大利亞大陸，因此一旦該線路跳閘，他們可立即控制島上的發電機，以避免發生瞬時過電壓和頻率問題。這種主動而非被動的發電方式有望在歐美得到廣泛推廣。遠程可能性：電網的未來11確保電網規范合規性的數字化路徑結論發電的性質正在轉變。遵守2015年巴黎協定的脫碳目標意味著并網的太陽

19、能和風能等可再生能源不斷上升，從而沖擊電網的穩定性和可靠性。作為回應，輸電系統運營商(TSO)正在強化其電網標準，要求公用事業企業、集成商和發電企業提供基于數字孿生的詳細電力系統仿真報告，以便證明合規性，避免電力波動破壞電網穩定性和威脅供電安全，并確保運營許可的有效性。能源結構可能發生變化，但與擁有成熟產品組合和專業領域知識的可靠技術合作伙伴建立合作關系，仍然非常重要，尤其是在資產連接和遠程仿真日益普及的今天。無論未來如何，ABB的數字化、自動化和遠程解決方案都將不斷發展，以幫助公用事業企業、集成商和發電商獲得所需的速度、準確性和響應能力，確保符合日新月異的電網標準要求，并保障設施的持續供電。

20、使用數字孿生的好處不止限于電網標準合規性。使用數字仿真軟件重建關鍵系統還可改進資產監控，實現預測性維護而非被動維護。例如，來自電站設備的測量輸入因部件老化而漂移時，軟件可采集相關信息并反饋給 客戶。挑戰性能源環境和可再生能源整合要求供應商提高警覺，因為他們需要不斷學習專業技能和知識，才能以最佳方式運行自己的電站和電網合規性仿真。這可以說是公用事業公司和發電企業在電網方面面臨的最大挑戰，而且風險很高。例如，如果一臺500MW設備發生故障，運營商的收入損失可能高達100000美元/分鐘。正確開展電網標準合規性研究，提供有關電站穩定性性能的洞見，將消除客戶的后顧之憂。一旦發生電網故障，發電機將保持在線且不會跳閘，并為客戶提供所需建議以避免再次發生此類跳閘事件。越來越多的小型電力系統也給人力需求帶來了挑戰。未來，勵磁系統專家可能不得不應對1000個小型電站，而不是訪問一個大型核電站或化石燃料電站，因此更為頻繁地派出人員逐個對電站進行調試是一個嚴峻的 問題。